第122254次實驗！4月12日21時，中國有“人造太陽”之稱的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）創(chuàng)造新的世界紀錄，成功實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式等離子體運行403秒，對探索未來的聚變堆前沿物理問題，提升核聚變能源經(jīng)濟性、可行性，加快實現(xiàn)聚變發(fā)電具有重要意義。

“一團耀眼的白光從山脈盡頭升起……”在科幻小說《三體》中，太空飛船核聚變發(fā)動機發(fā)出的光芒如同太陽。利用核聚變等技術，人類走出地球家園，成為真正的太空文明。

萬物生長靠太陽。太陽之所以能發(fā)光發(fā)熱，是因為內(nèi)部的核聚變反應。核聚變能源的原材料在地球上極其豐富，且排放無污染，如果能造一個“太陽”來發(fā)電，人類有望實現(xiàn)能源自由。

但要造出能實用的“人造太陽”，需要上億攝氏度的等離子體、超過千秒的連續(xù)運行時間和1兆安的等離子體電流，挑戰(zhàn)極大。為此，全球科學家們已努力70多年。

形如“巨爐”，一腔“熱火”胸中涌。EAST作為國家重大科技基礎設施，擁有類似太陽的核聚變反應機制。

4月12日晚，經(jīng)過十幾年聚力攻關，EAST成功實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式等離子體運行403秒，刷新2017年的101秒世界紀錄，實驗現(xiàn)場一片歡騰。

“Shot:122254?！盓AST控制大廳屏幕上的數(shù)字顯示，這是歷經(jīng)十二萬多次實驗取得的成功。

“這次突破的主要意義在于‘高約束模式’?！敝锌圃汉戏饰镔|(zhì)科學研究院副院長、等離子體物理研究所所長宋云濤說，高約束模式下粒子的溫度、密度都大幅度提升，“這為提升未來聚變電站的發(fā)電效率，降低成本奠定了堅實物理基礎?！?

據(jù)悉，EAST裝置上有核心技術200多項、專利2000余項，匯聚“超高溫”“超低溫”“超高真空”“超強磁場”“超大電流”等尖端技術于一爐，共有上百萬個零部件協(xié)同工作。這次成功突破，離不開等離子體控制、加熱、壁處理、先進診斷等技術提升和內(nèi)真空室改善。

目前，下一代“人造太陽”中國聚變工程實驗堆已完成工程設計，未來瞄準建設世界首個聚變示范堆。

我國“人造太陽”發(fā)現(xiàn)新的高能量約束模式

據(jù)人民日報2023年1月報道，記者從中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院等離子體物理研究所獲悉：近期，該所核聚變大科學團隊利用有“人造太陽”之稱的全超導托卡馬克大科學裝置（EAST），發(fā)現(xiàn)并證明了一種新的高能量約束模式——超級I模（Super I-mode），對國際熱核聚變實驗堆和未來聚變堆運行具有重要意義。1月7日，國際學術期刊《科學·進展》發(fā)表了該研究成果。

目前，實現(xiàn)核聚變反應主要有引力約束、磁約束、激光慣性約束3種方式。太陽因質(zhì)量大，可通過巨大引力，在極端高溫高壓的環(huán)境下發(fā)生引力約束核聚變反應。

而在地球上，實現(xiàn)可控核聚變主要有磁約束核聚變和激光慣性約束核聚變兩種方式。激光慣性約束核聚變是采用激光作為驅(qū)動器壓縮氘氚燃料靶丸，在高密度燃料等離子體的慣性約束時間內(nèi)實現(xiàn)核聚變點火燃燒。采用強磁場約束等離子體的方法把核聚變反應物質(zhì)控制在“磁籠子”里面，就是磁約束核聚變。

從上世紀60年代以來，全世界建造了數(shù)百個托卡馬克裝置。利用不同核聚變實現(xiàn)方式而建設的托卡馬克裝置，其等離子體運行模式有多種，不同托卡馬克裝置尺寸、性能不同，能量約束模式也有所區(qū)別。其中，磁約束類型托卡馬克是目前全球研發(fā)投入最大、最接近核聚變點火條件、技術發(fā)展最成熟的途徑。

近年來我國“人造太陽”EAST裝置實驗屢獲突破，先后于2010年運行1兆安等離子體電流、2018年首次實現(xiàn)1億攝氏度高溫等離子體運行、2021年5月28日實現(xiàn)可重復的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行、2021年12月30日實現(xiàn)1056秒長脈沖高參數(shù)等離子體運行。

超級I模是托卡馬克裝置等離子體運行模式方面的新探索、新發(fā)現(xiàn)和新的驗證。據(jù)了解，該種先進模式大幅度提高了能量約束效率，具有芯部無雜質(zhì)積累、便于聚變反應生成物排出、維持平穩(wěn)溫度臺基等優(yōu)點，并實現(xiàn)了芯部高約束與邊界不穩(wěn)定性的兼容，保證了長時間尺度上的高性能等離子體運行。這種無需通過外部控制來確保等離子體穩(wěn)態(tài)運行的高能量約束模式，對于未來聚變堆運行具有重要意義。

“如果把核聚變反應比喻成一道閃電，那么我們的主要目的就是把一道道閃電收集在‘磁籠子’里，聚集更高的能量，然后長時間持續(xù)地向外穩(wěn)定輸出這些能量，為人類所用?！敝锌圃汉戏饰镔|(zhì)科學研究院副院長、等離子體物理研究所所長宋云濤說，“新發(fā)現(xiàn)的這種約束模式好比找到比保溫壺保溫效果更好的技術手段，我們一直還在探索和研究，為了更好地控制、更高效地約束能量，減少能量消耗，保持長時間穩(wěn)定運行?！?

《科學·進展》審稿人認為，此項研究成果對核聚變研究具有重要意義，在國際聚變研究界是“一個重大進展”。